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PRISE EN COMPTE DE L’ALEA SISMIQUE DANS LE CADRE DE LA LGV MEDITERRANEE

MUDET Marcel1

1Direction de l’Ingénierie, SNCF, 122 rue des Poissonniers, 75876 PARIS Cédex 18, www.marcel.mudet@sncf.fr.

RESUME : La prise en compte de l’aléa sismique dans le cadre du projet LGV Méditerranée a permis d’initier une démarche très intéressante tant dans les phases conception que réalisation des ouvrages en terre, elle permet en outre par sa continuité en phase exploitation de mettre à la disposition du Gestionnaire de l’Infrastructure des outils de surveillance de ses installations en cas d’événement sismique régional. MOTS CLES : Ferroviaire, Ouvrage en terre, Risque, Sécurité, Séïsme. ABSTRACT : As part of the LGV Méditerranée project, because of the areas seismics, it’s necessary to make a hazard study to build the embankments and cuts. This paper describes the process used in conception and building only as part of the earthwords ; he gives also the process of supervision during the line operating. KEY-WORDS : Earthquake, Earthwork, Hazard, Railways, Savety.

1 Introduction

Dans le cadre de la réalisation du TGV MEDITERRANEE, la SNCF a été amenée, en raison de la situation géographique du projet, à prendre en compte l’aléa sismique en application de la loi du 22 juillet 1987 relative à la prévention des risques majeurs.

Cette démarche s’est appliquée aux ouvrages d’art et aux ouvrages en terre.

Dans le cadre de cet article, c’est la démarche relative aux ouvrages en terre qui sera décrite, tant en phase de conception et de réalisation qu’en phase exploitation de l’infrastructure.

2 Philosophie de la protection parasismique

2.1 Principes généraux

Les actions sismiques se singularisent par les particularités suivantes :

- ce sont des actions qui peuvent entraîner des conséquences catastrophiques, lorsqu’elles atteignent une certaine intensité, mais qui ne se manifestent que très rarement* en un point donné, avec cette intensité. Elles sont alors traitées comme des actions accidentelles à la

* à l’échelle de la durée de vie moyenne des ouvrages.

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différence des charges permanentes ou normales, c’est-à-dire qu’elles sont introduites par des coefficients de sécurité différents de ceux appliqués aux secondes dans les combinaisons de calcul ;

- ce sont des actions multiformes dont la description, même très simplifiée, nécessite l’introduction de plusieurs paramètres susceptibles de varier indépendamment les uns des autres dans de fortes proportions et présentant eux-mêmes une forte dispersion.

Les principes de protection des ouvrages contre les tremblements de terre se traduisent par l’énoncé de deux concepts fondamentaux :

- l’intensité de calcul** c’est-à-dire la caractérisation de l’agression sismique contre laquelle on entend se protéger, obtenue à partir d’une évaluation de l’aléa sismique ;

- les exigences de comportement, soit ce que l’on attend de la construction soumise à cette agression.

Figure 1. Zone de sismicité

Ils résultent d’un arbitrage (généralement pratiqué par la Puissance Publique ou ses représentants) entre des critères :

- « physique » : l’aléa sismique ;

- « économique » : le surcoût entraîné par la mise en œuvre de mesures de protection en regard de la réduction du risque que l’on peut en attendre ;

- « politique » : l’importance que l’on accorde à la protection parasismique. ** soit l’intensité macrosismique, soit l’accélération maximale ou nominale, soit le spectre élastique.

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Par ailleurs, l’aléa sismique doit être décrit à 2 échelles :

- Régionale, où il exprime la possibilité pour un site d’être exposé à une secousse sismique de caractéristiques données, au « rocher horizontal affleurant » ;

- « locale », pour laquelle il est nécessaire de prendre en compte les conditions particulières du site (topographiques, géologiques, géotechniques,…) afin d’évaluer les effets de site (modulation du mouvement sismique de référence en fréquence et en temps), les effets induits (liquéfaction et mouvements de terrain) et les effets dus aux failles en surface.

Dans la pratique, on distingue habituellement :

♦ Les ouvrages à risque spécial, pour lesquels un dommage, même mineur, peut avoir pour la population et l’environnement des conséquences catastrophiques et hors de proportion avec les dégâts subis par l’ouvrage lui-même (industries chimiques stockant des produits hautement toxiques, installations nucléaires, grands barrages, etc…).

On est conduit, quoi qu’il en coûte, à maintenir à un niveau exceptionnellement bas les probabilités d’accidents.Les exigences de comportement sont définies au cas par cas, pour chaque ouvrage considéré individuellement (protection intrinsèque). L’intensité de calcul est déterminée par l’agression maximale susceptible d’être subie par l’ouvrage, éventuellement majorée d’un coefficient de sécurité.

♦ Les ouvrages à « risque normal » (ou « ouvrages courants ») qui représentent la grande majorité des constructions et pour lesquels les conséquences d’un sinistre restent circonscrites à l’ouvrage lui-même, ses occupants et son environnement immédiat. Pour des raisons économiques (où entre en compte la durée de vie moyenne des ouvrages), on se contente d’objectifs moins ambitieux tant pour les probabilités de sinistre que pour les exigences de comportement. Ces dernières sont définies par une protection statistique, dont les résultats doivent s’apprécier sur un ensemble de constructions soumises à l’épreuve du séisme (par exemple à l’échelle d’une ville).

Elle admet que certaines structures puissent subir des déformations se situant franchement dans le domaine postélastique : fissurations, destructions de certains éléments non structuraux, déformations permanentes, etc. L’objectif est la sauvegarde des vies humaines et la protection du patrimoine économique (dont la limitation à un niveau aussi bas que possible des probabilités d’effondrements graves), sans exclure un certain pourcentage de pertes, notamment si l’intensité de la secousse dépasse l’intensité de calcul.

Il n’y a plus de protection absolue et de risque « nul » (ou tendant vers zéro) mais une protection relative et un risque « acceptable ».

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Figure 2

L’intensité de calcul n’est plus directement liée à l’agression maximale prévisible mais est fixée forfaitairement par la Puissance Publique qui procède à l’arbitrage décrit précédemment, sous forme de valeurs nominales des actions sismiques.

Les ouvrages de la LGV Méditerranée ont été considérés comme relevant de la catégorie normale classe C, néanmoins dès le stade des études de conception, il a été décidé par la SNCF, notamment pour les ouvrages en terre, de faire également une démarche conforme à celle utilisée pour les ouvrages de la catégorie dite à risque spécial.

Cette approche offre tous les avantages au Maître d’Ouvrage qui dispose :

a) D’un inventaire systématique et à jour concernant :

- le bilan de sismicité, grâce en particulier au fichier SIRENE (exploité conjointement par le BRGM, le CEA et EDF et constamment mis à jour) et aux différents fichiers de sismicité instrumentale ;

- le contexte structural, grâce aux recherches les plus récentes effectuées dans le Sud-Est de la France ;

- les lois d’atténuation disponibles à partir des séismes régionaux.

b) D’une comparaison systématique, tout au long du tracé, entre les deux démarches.

c) De la possibilité de faire appel à l’une ou l’autre des démarches selon l’évolution particulière des études ultérieures et en fonction des exigences de la Puissance Publique, sans qu’il soit nécessaire de revenir à des études spécifiques sur tel ou tel secteur du tracé. Toutes les démarches auront déjà été envisagées.

Ces études ont été confiées à des bureaux spécialisés tels que BRGM/ANTEA, CETE Méditerranée, MECASOL.

Dans cette optique ont été réalisées une étude de l’aléa sismique régional puis une étude de l’aléa sismique local.

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La première a permis de définir des secteurs à risque le long du projet, elle a notamment mis en évidence la nécessité de prise en compte de l’aléa sur la branche de Nîmes bien que située en zone O.

La seconde a permis à l’appui de compléments géotechniques de déterminer en fonction des contraintes de sites (liquéfaction, déblais ou remblais) les dispositions constructives à adopter pour sécuriser les ouvrages en terre vis-à-vis des mouvements sismiques de référence retenus pour chaque secteur. Des techniques de vibroflotation, de purge partielle ou totale, ont été appliquées dans les secteurs reconnus comme liquéfiables.

La définition des mouvements sismiques de référence est fondée sur la règle fondamentale de sûreté R.F.S. (Mohammadioun 1993). Les bureaux d’études ont appliqué cette méthode pour le choix des paramètres sismiques de référence, secteur par secteur du TGV Méditerranée :

• Détermination des séismes historiques d’intensité maximale.

• Evolution de l’appartenance de ce séisme historique à une unité sismotectonique.

Au sein de cette unité sismotectonique on amène l’épicentre de ce séisme historique à la distance la plus proche du site.

A partir de la « loi d’atténuation » appropriée, on évalue l’ensemble du spectre et donc l’accélération, en prenant en compte la magnitude du séisme et la distance focale.

Figure 3. Philosophie de la protection parasismique et réglementation existante.

La figure 4 représente les secteurs retenus et donne les paramètres sismiques selon les deux hypothèses de risque :

risque normal = AFRS

risque spécial = RFS

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Figure 4.

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On note que pour les secteurs où le tracé se situe en zone 0, pour lesquels il n’est pas requis de mouvement sismique minimal pour les ouvrages à risque normal, les mouvements sismiques en risque spécial sont loin d’être négligeables.

L’accélération retenue sur chaque site pour la conception des ouvrages en terre est la plus défavorable des deux valeurs calculées (risque normal et risque spécial).

2.2 Déblai meuble

La méthodologie retenue repose sur la prise en compte de la stabilité en condition statique avec un coefficient de sécurité de 1,5, puis sur l’application d’une méthode pseudo-statique simplifiée pour déterminer les conditions de stabilité sous séisme.

Hypothèses du calcul en méthode pseudo-statique :

L’action sismique est représentée par une force constante et horizontale ou parallèle à la pente; on suppose invariables durant le séisme la résistance (C et ϕ) des sols et les pressions interstitielles (u), sauf dans les cas de liquéfaction.

Le coefficient sismique pris en compte en pseudo-statique a :

- une composante horizontale

max, /kh a g= 0 5 - une composante verticale

kv = ± 0,5 kh où amax représente l’accélération maximale.

L’analyse de la stabilité est faite en conditions drainées (C’ et ϕ’). On détermine alors une nouvelle pente de talus respectant un coefficient de sécurité supérieur à 1,0.

2.3 Remblais

On utilise la même méthodologie que pour les déblais meubles à ceci près que l’on prend en compte les caractéristiques non drainées des sols d’assise des remblais (Cu et ϕcu). Cependant, l’analyse est faite à long terme, c’est à dire en considérant une amélioration de la cohésion non drainée Cu sous le remblai, selon la règle suivante :

∆Cu = α ∆σ λ

avec λ : taux de variation de la cohésion non drainée (déterminée à l’essai triaxial consolidé non drainé)

∆σ : surcharge due au remblai

α : coefficient va6+riant de 0 en pied de talus à 1 sous le centre du remblai.

Remblai

Terrain naturel

∆Cu=∆σ ∆Cu=0,75∆σ ∆Cu=0,25∆σ ∆Cu=0

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Le calcul se fait en prenant en compte les surcharges d’exploitation (superstructure et circulation): on assimile ces surcharges à une hauteur de remblai supplémentaire de 1,50m. Le coefficient de sécurité minimal à respecter est 1,3 pour le calcul statique, 1,0 pour le calcul pseudo-statique.

2.4 Déblais rocheux

Compte tenu des bonnes caractéristiques géotechniques de la matrice, la stabilité des masses rocheuses est, en statique, uniquement conditionnée par les discontinuités qui affectent le massif, et notamment par leurs rapports géométriques avec le talus. La première des conditions de stabilité est définie par la possibilité (ou l’impossibilité) géométrique de glissement, elle même conditionnée par le rapport entre l’angle du talus et l’angle de la surface de glissement. L’impossibilité géométrique de glissement n’est en rien modifiée par l’application d’une force sismique supplémentaire et, pour ce cas de figure, la stabilité en dynamique est donc égale à la stabilité en statique. Par contre, dès que la stabilité devient dépendante du frottement banc sur banc, l’application de la force parallèle à la surface de glissement modifie les conditions d’équilibre. Dans ce cas de figure, la diminution de l’angle de talus n’a d’effet sur la stabilité que lorsqu’elle est suffisante pour empêcher toute possibilité de mouvement. Dans le cas de dièdres moins inclinés que l’angle de talus, un calcul de stabilité est nécessaire pour prendre en compte la force sismique s’exerçant sur le plan de glissement potentiel : Le coefficient de sécurité en dynamique obtenu : Fd doit être supérieur à 1,3

Fd tg

k=

+ϕ β

βcos

sin où k est le coefficient sismique, ϕ est l’angle de frottement sur les discontinuités en présence et β l’angle de la surface sur laquelle se produit le mouvement avec l’horizontale. Si Fd est inférieur à 1,3, il faut adoucir la pente du talus de façon qu’elle soit inférieure à l’inclinaison du dièdre, ou faire intervenir une force extérieure, sous la forme d’un ancrage par exemple.

2.5 Liquéfaction

La liquéfaction d’un sol est sa perte totale de résistance au cisaillement par augmentation de la pression interstitielle. Cette augmentation est accompagnée de déformations dont l’amplitude peut être limitée ou quasi-illimitée. La rupture d’un remblai ou d’un talus de déblai après liquéfaction est la conjonction de trois événements particuliers : la présence d’un sol susceptible de liquéfier de par sa nature intrinsèque et sa saturation : c’est la potentialité qualitative. la possibilité de ce sol à perdre toute résistance mécanique suite à une sollicitation sismique : potentialité liée à la sollicitation.

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une déstabilisation du sol suffisante pour entraîner la rupture du remblai ou du talus de déblais. a) Potentialité qualitative Cette évaluation est définie dans les recommandations AFPS 90 — Critères d’exclusion : - Sols dont la granulométrie est telle que D10>2mm - Sols présentant simultanément :

D70<74µ indice de plasticité Ip>10 — Critères de potentialité : -Sables, sables vasards et silts présentant les caractéristiques suivantes : - Degré de saturation Sr voisin de 100% - Coefficient d’uniformité Cu<15 - D50 compris entre 0,05 et 1,5 mm - à l’état final du projet :

σ’<200kPa en zones sismiques Ia et Ib

σ’<250kPa en zone sismique II

σ’<300kPa en zone sismique III - Sols argileux présentant les caractéristiques suivantes :

- D15>5µ - WL<35 - W>0,9WL - point représentatif sur le diagramme Casagrande se situant au dessus de la droite A. b) Potentialité liée à la sollicitation La théorie appliquée est celle de l’américain SEED, qui, dans les années 70, a analysé les effets de grands séismes sur des zones sableuses. Dans certains cas la liquéfaction a eu lieu, dans d’autres elle ne s’est pas produite. SEED est parvenu à mettre au point une méthode empirique d’évaluation de la potentialité liée à la sollicitation sismique. Définition Le potentiel de liquéfaction lié à la sollicitation est la conjonction de la susceptibilité définie

par le taux de contrainte cyclique moyen nécessaire pour avoir la liquéfaction τσ ' v l

, et de

l’opportunité définie par le taux de contrainte cyclique moyen dû au séisme τσ ' v s

.

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Le rapport

τστ

σ

v l

v s

'

'

définit un facteur de sécurité Fl qui caractérise le potentiel de liquéfaction.

D’après l’AFPS 90, le sol est liquéfiable si la valeur de contrainte de cisaillement engendrée par le séisme dépasse 75% de la valeur de contrainte de cisaillement provoquant la liquéfaction. Donc si :

1Fl

>75%

Soit Fl<1,33 En résumé, le sol est considéré liquéfiable si la majorité des critères de potentialité qualitative est vérifiée et si Fl est inférieur à 1,33. c) Stabilité après liquéfaction Le déclenchement de la liquéfaction apparaissant quelques instants après le passage de l’onde sismique, on considère, dans le calcul de stabilité, qu’il n’y a pas cumul des deux phénomènes : l’accélération n’est pas reprise (calcul en statique). Par contre il y a perte totale de résistance au cisaillement : ϕ = 0°. Les hypothèses de calcul sont : ♦ calcul à long terme en remblai comme en déblai ♦ coefficient de sécurité minimal à respecter ramené à 1,0 pour tenir compte du caractère

exceptionnel du phénomène.

2.6 Bilan des études « Aléa sismique local » du TGV Méditerranée

Après le zonage effectué dans le cadre de l’étude « Aléa sismique régional », une analyse des différents ouvrages en terre du projet à l’intérieur des zones à risque sismique a été effectuée par la SNCF avec l’aide des experts BRGM/ANTEA et CETE. Cette analyse a amené les décisions suivantes : déblais meubles : pas de conséquences sur les pentes de talus car les marges de sécurité

sont moins contraignantes quand on prend en compte un séïsme : • coefficient de sécurité minimal de 1,5 en statique (sans séïsme) • coefficient de sécurité minimal de 1,0 en pseudo-statique (avec séïsme), déblais rocheux : l’adoption de pentes adoucies dans la plupart des déblais rocheux des

zones à risque (40° avec fossés élargis) permet de s’affranchir du risque d’instabilité. Les quelques talus subverticaux ne présentent pas de pendages défavorables. Remblais : une étude spécifique de la stabilité des remblais sous sollicitation sismique a

été confiée au CETE Méditerranée – 1995. Les dispositions adoptées sur le projet garantissent la stabilité des remblais vis-à-vis des sollicitations sismiques.

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Liquéfaction : 5 lots à potentialité qualitative des sols vis-à-vis de la liquéfaction ont été détectés et ont donné lieu à des campagnes de reconnaissances spécifiques afin de connaître d’éventuelles zones à risque vis-à-vis de la sollicitation sismique. Ces campagnes ont été confiées à FONDASOL et ANTEA a analysé les résultats.

Figure 5

Le tableau ci-après reprend lot par lot les zones nécessitant un traitement particulier et le choix de traitement prévu lors des travaux.

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TGV MEDITERRANEE

ALEA SISMIQUE LOCAL ANTEA 1996

ZONES A RISQUE DE LIQUEFACTION

LOT Planche 1/5000e Pk début Pk fin Secteurs à traiter Profondeur Dispositions conservatoires envisagées

21 et 2B-2C 752 04 150 790 1 300 14 0/2m et 2.7/3.4m Purge752 04 150 3 250 3 520 17 0/2m Purge752 04 150 3 520 4 020 18 0/4m Purge752 04 150 6 650 7 060 21 0/3m Purge752 04 170 3 585 3 990 46 2/6m Vibroflottation752 04 170 3 990 5 200 47 1/3, 3/4, 5/6m Purge

22 752 05 190 3 610 3 820 22.1 11 1/2m Purge752 05 190/200 5 220 145 22.1 16a 0/3m Purge

752 05 200 145 300 22.1 16b 0/2m Purge752 05 200 6 610 6 980 22.3 2 4/6m Pente 2/1

23 752 06 220 1 320 1 630 23.1 2 0/3m Purge752 06 220 1 320 1 630 23.1 2 5/9m Vibroflottation752 06 230 2 840 3 680 23.2 1 0/3m Purge752 06 230 3 960 4 560 23.2 3 0/14m Vibroflottation752 06 230 6 030 7 030 23.2 7 0/1.5m Purge752 06 230 8 300 8 610 23.2 9 0/3m Purge

31 752 06 240 4 900 5 045 3.1 0/3m Purge752 06 240 5 180 5 360 3.3 0/3m Purge752 06 240 6 020 6 100 5 0/3m Purge752 06 250 2 415 3 240 13 0/3m Purge752 06 250 4 370 5 670 18 0/3m Purge752 06 260 905 1 350 23 0/3m Purge

1,4,6,7,9,10,12,15 0/3m Etude complémentaire suite àsondages Entreprise

41 et 4C 834 01 030 5 410 5 970 10 0/13m Vibroflottation834 01 030/040 6 230 330 12 0/9m Vibroflottation

834 01 040 1 405 1 985 15 0/10m Vibroflottation834 01 040 1 985 2 495 16 0/6m Vibroflottation834 01 040 2 495 2 590 17 0/13m Vibroflottation834 01 040 2 590 2 785 18 0/9m Vibroflottation

Des modifications ponctuelles aux dispositions initiales ont été réalisées lors des travaux, notamment suite à une étude statistique historique sur 20 ans des niveaux piézométriques de certains secteurs.

3 Surveillance sismique

La SNCF a décidé de mettre en place un système de surveillance sismique des ouvrages du TGV Méditerranée afin de détecter les éventuels désordres ou dégradations subis par les ouvrages concernés dans la zone d’alarme et d’émettre un avis sur l’état des ouvrages après séisme. A cet effet, un réseau capteurs a été installé à proximité des voies, ces capteurs sont reliés à des postes chargés d’envoyer les messages d’alarme aux établissements de maintenance. Le positionnement des capteurs ainsi que la méthodologie de programmation des alertes ont été menés en collaboration avec le CEA. Cette surveillance doit permettre avant tout de détecter les risques immédiats pour la sécurité de l’exploitation ferroviaire, ou éventuellement celle des tiers, et de prendre les mesures nécessaires pour assurer cette sécurité. Cette surveillance concerne la voie, les ouvrages d’art et les ouvrages en terre.

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3.1 Principes d’organisation de la surveillance concernant les ouvrages en terre

La détection d’un séisme entraînant une accélération 40 mg au niveau de la voie a pour conséquence la mise en œuvre d’un scénario de type « mineur » ou « majeur » vis-à-vis des circulations ferroviaires.

3.2 Scénario « mineur »

L’alarme mineure est caractérisée par un séisme dont l’accélération enregistrée au sol à proximité de la voie est supérieure ou égale à 40 mg et inférieure à 65 mg. Dans ce cas, il y a ralentissement automatique des circulations à 170 km/h. Le relèvement ne s’effectue qu’après examen spécifique de certains ouvrages en terre sensibles et une tournée spéciale hélicoptère sur la zone.

3.3 Scénario « majeur »

L’alarme majeure est caractérisée par un séisme dont l’accélération enregistrée au sol à proximité de la voie est 65 mg. Dans ce cas, il y a arrêt automatique des circulations, la reprise de celles-ci ne s’effectuant qu’après procédure d’examen spécifique par l’intermédiaire de deux paliers (V170 et V230) avant remise à la vitesse d’exploitation du V300. Sans rentrer dans le détail de la procédure on peut en préciser les lignes directrices. Elle comprend une visite systématique de la plate-forme et des talus de toute la zone concernée, elle conditionne la reprise à V170 en l’absence de risque pour les circulations. Elle est complétée par deux tournées en hélicoptère, la première pour visualiser l’environnement immédiat de l’infrastructure, la deuxième pour s’assurer d’une non évolution par « réplique » avant la mise à V300. Cette surveillance et l’ensemble des dispositions rattachées permettent de s’assurer que des lacunes ou des maillons faibles liés à l’hétérogénéité géologique des ouvrages en terre n’entraîneront pas de désordres non maîtrisés au niveau de la voie.

4. Conclusion

La prise en compte de l’aléa sismique dans le cadre d’un projet d’infrastructure ferroviaire a permis d’initier une démarche très intéressante tant dans les phases conception que réalisation, elle permet en outre par sa continuité en phase exploitation de mettre à la disposition du Gestionnaire de l’Infrastructure des outils de surveillance de ses installations en cas d’événement sismique régional.

5 Bibliographie

Loi n° 87.565 du 22 juillet 1987 : Prévention des risques majeurs Décret n° 91.461 du 14 mai 1991 : Dispositions relatives à la prévention du risque sismique. Recommandations AFPS 90 – Presses de l’ENPC

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